Вопрос 93. Оптические и оптико-акустические газоанализаторы. Принципиальные схемы и область применения.

Газоанализаторы инфракрасного поглощения (оптико-акустические).

Инфракрасную радиацию поглощают все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. В оптико-акустических газоанализаторах прерывистый поток инфракрасного излучения, проходя через слой анализируемой газовой смеси, теряет в ней часть энергии, пропорциональную содержанию определяемого компонента. Остаток энергии поступает в приемник-преобразователь (лучеприемник). В качестве лучеприемников чаще всего применяются оптико-акустические преобразователи, действие которых основано на использовании способности газов поглощать инфракрасную радиацию. При облучении потоком инфракрасной радиации такого газа, заключенного в замкнутый объем, его давление возрастает. Увеличение давления вызвано поглощением молекулами газа квантов радиации, энергия которых переходит в энергию теплового движения молекул, т.е. увеличивает температуру газа, а увеличение температуры газа, занимающего постоянный объем, вызывает увеличение его давления.

Если периодически прерывать поток радиации, падающий на оптико-акустический преобразователь, то давление газа в нем будет периодически изменяться. Обычно камера преобразователя заполняется тем компонентом анализируемой газовой смеси, концентрация которого измеряется. Благодаря этому оптико-акустический преобразователь избирательно поглощает участок спектра падающего на него излучения, который соответствует максимуму поглощения определяемого компонента. По схемам измерения оптико-акустические газоанализаторы можно разделить на две группы: компенсационные и непосредственного измерения. Преимущественно нашли применение компенсационные газоанализаторы.

На Рис. 1 показана принципиальная схема оптико-акустического газоанализатора для определения содержания СО₂, СО, СН₄. Измерительная схема газоанализатора построена по принципу электрической компенсации. Источником инфракрасного излучения являются два нихромовых излучателя 1, помещенные в фокусах металлических сферических зеркал 2. Излучатели питаются от источника 3. Потоки радиации, отраженные зеркалами, поступают в два оптических канала. Оба потока излучения одновременно прерываются обтюратором 4 частотой 6 Гц. Обтюратор приводится во вращение синхронным электродвигателем 5. Правый оптический канал состоит из рабочей камеры (кюветы) 6, через которую непрерывно протекает исследуемый газ, фильтровой камеры (кюветы) 7 и приемной камеры 8. Левый оптический канал складывается из сравнительной камеры 9, фильтровой камеры 10 и приемной камеры 11.

Сравнительная камера заполнена чистым сухим воздухом, фильтровые камеры 7 и 10 — неопределяемыми частями газовой смеси, а приемные камеры 8 и 11 — определяемым компонентом газа. При определении СО фильтровые камеры заполняются смесью СО₂ + СН₄, а приемные камеры — окисью углерода. При определении СО₂ фильтровые камеры содержат смесь СО + СН₄, а приемные камеры СО₂ и т. д.

Окна всех камер оптических каналов изготовляют из материала, прозрачного для инфракрасных лучей (флюорит, каменная соль, слюда). При прохождении лучистого потока через рабочую камеру он ослабляется из-за поглощения части энергии, соответствующей линии поглощения исследуемого газа. Поток, инфракрасного излучения в левом оптическом канале, проходя через воздух сравнительной камеры, не ослабляется. При дальнейшем прохождении обоих лучистых потоков в правом и левом каналах через фильтровые камеры из них поглощаются лучи, соответствующие спектральной области поглощения неопределяемыми компонентами (белые стрелки).

В результате в приемные камеры 8 и 11 лучеприемника 12 поступают потоки радиации, разность энергии которых пропорциональна концентрации анализируемого компонента. Возникающие в лучеприемнике пульсации давления воспринимаются конденсаторным микрофоном. Амплитуда колебаний микрофонной мембраны 13 зависит от разности давлений в правой и левой приемных камерах, т. е. от концентрации искомого компонента в газе.

Конденсаторный микрофон включен на вход электронного усилителя 14. Усиленный сигнал подается на реверсивный двигатель 15, который перемещает движок реохорда R_p. Реохорд, включенный в цепь питания правого излучателя, изменяя его накал, компенсирует поглощение инфракрасной радиации в правом оптическом канале. Таким образом, каждому значению содержания определяемого компонента будет соответствовать определенное положение движка реохорда и связанных с ним указательной стрелки и регистрирующего пера прибора 16.

Газоанализаторы этого типа имеют различные пределы измерения от сотых долей процента до 100% анализируемого компонента.

Газоанализаторы, построенные на принципе оптической компенсации (ГИП), предназначены для определения содержания окиси, углерода в воздухе производственных помещений; окиси углерода и двуокиси углерода — в азотоводородной смеси и конвертированном газе при получении синтетического аммиака; метана — в циркуляционной азотоводородной смеси и конвертированном газе производства синтетического аммиака; аммиака — в аммиачно-воздушной смеси производства слабой азотной кислоты и в азотоводородной смеси и конвертированном газе производства синтетического аммиака; ацетилена в этиленовой фракции и в газах пиролиза метана; дивинила в холодном контактном газе; изобутилена в бутан-бутиленовой фракции.

Такое назначение прибора позволило упростить его конструкцию, исключив фильтровые камеры. В газоанализаторе (Рис. 2) потоки инфракрасного излучения от двух нихромовых излучателей 1, нагреваемых от источника питания 9, одновременно прерываемые обтюратором 2, проходят через две кюветы и заслонки 5 и 6 в лучеприемник. Кювета 3 (сравнительная камера) заполнена воздухом, а кювета 4 (измерительная камера) — исследуемым газом. Лучеприемник 7 состоит из двух камер, разделенных конденсаторным микрофоном и заполненных смесью азота с определяемым компонентом. Выходной сигнал микрофона после усиления в усилителе 10 подается на реверсивный двигатель 11, перемещающий стрелку вторичного прибора 12 и заслонку 5, расположенную между сравнительной кюветой и камерой лучеприемника 7. Перемещение заслонки уравнивает потоки инфракрасного излучения в обеих камерах лучеприемника.

Описанные выше оптико-акустические газоанализаторы являются дифференциальными (двухлучевыми, двухканальными) приборами. Основной их недостаток — сравнительно низкая нулевая стабильность. Смещение нуля вызывается старением излучателей, загрязнением рабочей кюветы, изменением пропускания стекол и т. д.

Существенно более высокую стабильность нуля имеет однолучевой газоанализатор (Рис. 3). Особенность такого прибора заключается в применении в нем специального дифференциального лучеприемника, приемные камеры которого 4 и 6 расположены в оптической последовательности. Лучеприемник, как обычно, заполняется смесью анализируемого компонента с инертным газом.

Первая приемная камера лучеприемника является фильтром по отношению ко второй, поэтому спектральные (характеристики этих камер существенно различаются. Максимальная чувствительность первой камеры приходится на центр полосы поглощения, а второй — на ее крылья. При отсутствии в смеси анализируемого компонента амплитуды колебаний давления, возникающих в приемных камерах под воздействием пульсаций излучения, выравниваются при помощи заслонки 5, расположенной между приемными камерами. Эта заслонка ослабляет световой поток, поступающий во вторую камеру. Если в рабочей кювете находится анализируемый компонент, то в ней происходит ослабление той части инфракрасного излучения, которая соответствует центральной части полосы поглощения. Величина разбаланса давлений преобразуется с помощью конденсаторного микрофона 8 в электрический сигнал, который затем усиливается и выпрямляется.

Прибор имеет один источник инфракрасной радиации. Излучение, которое поглощается в обеих приемных камерах лучеприемника, проходит через одну и ту же рабочую кювету. Поэтому изменение интенсивности источника излучения и пропускания кюветы одинаково отражается на поглощении светового потока в обеих камерах и практически не сказывается на положении нулевой точки прибора. Например, при изменении интенсивности источника на 1% нуль газоанализатора остается прежним, а шкала изменяется также на 1%. Такое же изменение интенсивности одного из источников излучения в двухлучевом приборе вызовет смещение нуля на 10%.

Однолучевой прибор отличается и более высокой избирательностью. Например, при анализе метана влияние СО₂, СО и влаги у однолучёвого прибора в 3-5 раз меньше, чем у двухлучевого. Высокая избирательность однолучёвого прибора с лучеприемником, приемные камеры которого расположены в оптической последовательности, обусловлена тем; что в результирующем повышении давления участвует лишь центральная часть полосы поглощения и, таким образом, активная часть рабочей полосы суживается.

Газоанализаторы ультрафиолетового поглощения

Эти приборы в основном используются для измерения концентрации паров ртути в воздухе, так как ртуть имеет характерные, линии поглощения в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Кроме того, газоанализаторы ультрафиолетового поглощения применяются для измерения концентрации хлора, сероводорода, двуокиси азота и некоторых других веществ.

В качестве источников ультрафиолетового излучения используются ртутные дампы, значительная часть энергии излучения которых составляет ультрафиолетовая радиация. Дополнительная монохроматизация излучения источника осуществляется стеклянными светофильтрами, которые выбираются в зависимости от положения максимума поглощения анализируемого вещества. -

Для преобразования интенсивности ультрафиолетового излучения в электрический сигнал применяются фотоэлементы и фотосопротивления, , v

Принципиальная схема газоанализатора ультрафиолетового поглощения с электрической компенсацией показана на Рис. 4. Компенсация производится автоматически изменением напряжений, подаваемых на нижнюю (с рабочим фотоэлементом 7) и верхнюю (со сравнительным фотоэлементом 6) ветви мостовой схемы. Реверсивный двигатель 9 перемещает движок реохорда R до тех, пор, пока напряжение на входе электронного усилителя 8 не станет равным нулю. Таким образом, положение движка реохорда R характеризует содержание анализируемого компонента в газовой смеси, проходящей через кювету 4. Полупрозрачная пластина 3, вводимая вручную в сравнительный оптический канал, служит для периодической проверки и установки нуля шкалы при пропускании через кювету 4 контрольной газовой смеси.

Схема газоанализатора на хлор с одним фотоэлементом, работающего по принципу оптической компенсации, показана на Рис. 5.

Для выделения необходимого участка ультрафиолетовой части спектра на пути потоков установлены светофильтры. Потоки излучения прерываются обтюратором с частотой 50 Гц. Модулированные в противофазе потоки излучения поступают в измерительную и сравнительную кюветы.

При появлении в измерительной кювете хлора равенство потоков излучения нарушается; в цепи фотоэлемента появляется пульсирующий фототок частотой 50 Гц, который усиливается в фазочувствительном усилителе и подается к реверсивному электродвигателю. Двигатель кинематически связан с компенсирующим оптическим клином.

Для корректировки нуля шкалы газоанализатора служит заслонка. Диапазоны измерения 0-0,3 и 0-2%. Основная погрешность ±5% максимального значения шкалы.

На Рис. 6 показана принципиальная схема однолучевого газоанализатора ультрафиолетового поглощения. Прибор имеет один источник 1 и один фотоприемник 8. Излучение источника прерывается обтюратором и разбивается им на два одинаковых потока, изменяющихся в противоположных фазах. Каждый из этих потоков проходит через соответствующий оптический фильтр. Полосы прозрачности фильтров разнесены, не перекрываются и сосредоточены в диапазоне частот соответственно n₁ и n₂. Профильтрованные потоки радиации проходят рабочую кювету 7, через которую продувается анализируемый газ, поглощающий радиацию на частоте n₁, и попадают затем в общий приемник излучения. В отсутствие анализируемого компонента в кювете интенсивности рабочего и сравнительного потоков выравниваются перемещением заслонки регулирования нуля 4. В этом случае система сбалансирована и разностный сигнал, снимаемый с фотоприемника, равен нулю. При поступлении анализируемого газа в кювету интенсивность потока радиации на частоте n₁ уменьшается, а на частоте n₂ остается неизменной. На выходе фотоприемника появляется разностный сигнал, амплитуда которого служит мерой концентрации анализируемого компонента.

Для устранения температурной погрешности прибор термостатируется. Пределы измерения 0-30 мг/л; 0-3% вес. Основная погрешность ±4% диапазона шкалы.